李江深

（山西省黃河萬(wàn)家寨水務(wù)集團(tuán)有限公司 山西太原030012）

0 引言

陽(yáng)曲原水直供工程是山西省萬(wàn)家寨引黃入晉工程在太原市的一項(xiàng)支線供水工程，主要是向位于太原市陽(yáng)曲縣境內(nèi)的太原工業(yè)新區(qū)和陽(yáng)曲縣轉(zhuǎn)型發(fā)展園區(qū)供水。該工程穿越汾河，管道采用直徑1.4 m 鋼管，穿河長(zhǎng)度381 m。初步設(shè)計(jì)穿汾方案為通用的常規(guī)方法，即兩期圍堰兩期施工導(dǎo)流的大開(kāi)挖直埋方案。由于存在采沙坑，水面寬且深，圍堰很高且用料從附近河床內(nèi)選用，透水性強(qiáng)，排水量巨大，施工安全無(wú)法保證。如對(duì)圍堰采用較為可靠和徹底的防滲措施，工程投資將增加很多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出概算，但深基坑施工的安全風(fēng)險(xiǎn)仍然很大。

盡管對(duì)初步設(shè)計(jì)方案反復(fù)研究予以優(yōu)化，但仍然不能從根本上解決投資大、安全風(fēng)險(xiǎn)大、工期長(zhǎng)的矛盾。之后，又探討和研究了頂管法和水平定向鉆法，為此還對(duì)河床進(jìn)行了深度補(bǔ)充勘察，但由于存在較厚沙卵石層而否決。還探討了管道橋法，考慮到環(huán)保和城市規(guī)劃等而作罷。經(jīng)過(guò)在全國(guó)范圍內(nèi)遍尋方案，最后選用了在南方江河和大海上曾采用而北方地區(qū)從未采用過(guò)的水中沉管法。經(jīng)過(guò)大膽引進(jìn)和采用，工程于2018年4 開(kāi)工，6月19日整體沉管成功，至9月底管頂覆土回填以及東西堤壩恢復(fù)等全部施工完成，并進(jìn)行了靜水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格，表明該方法在汾河上正式應(yīng)用成功。

1 工程概況

山西省萬(wàn)家寨引黃入晉聯(lián)接段陽(yáng)曲原水直供工程位于太原市尖草坪區(qū)和陽(yáng)曲縣兩個(gè)縣、區(qū)，水源為引黃水。項(xiàng)目在引黃聯(lián)接段7#洞出口呼延調(diào)蓄池進(jìn)水箱涵進(jìn)水閘下游處取水，后經(jīng)38.75 km 壓力管線至陽(yáng)曲縣受水區(qū)。本項(xiàng)目范圍為7#洞下游出口呼延調(diào)蓄池進(jìn)水箱涵進(jìn)水閘取水處，至陽(yáng)曲縣受水區(qū)的38.75 km 壓力管線及沿線附屬的加壓泵站及末端蓄水池等建筑物。供水對(duì)象為太原市工業(yè)新區(qū)及陽(yáng)曲縣轉(zhuǎn)型發(fā)展產(chǎn)業(yè)園區(qū)，供水管線終點(diǎn)位于陽(yáng)曲縣北側(cè)大運(yùn)高速公路大盂服務(wù)區(qū)西側(cè)。近期水平年2020年，設(shè)計(jì)供水量3 000 萬(wàn)m3，遠(yuǎn)期水平年2030年，設(shè)計(jì)供水量4900 萬(wàn)m3。

本次穿越汾河段工程位于太原市尖草坪區(qū)，太嵐線跨越汾河鐵路橋上游約2.45 km 處，樁號(hào)4+577.86～4+958.86，總長(zhǎng)381m，方位為由西南向東北穿越，穿越汾河段長(zhǎng)約381 m。西側(cè)為75 m 岸坡段，中間主河槽段269 m，東側(cè)為37 m 岸坡段。河?xùn)|側(cè)為河灘地，地面相對(duì)高程88.59～93.00 m（本文中的高程皆為相對(duì)高程），河西側(cè)為過(guò)水段，該段現(xiàn)狀為早年采砂后形成的沙坑，U 型斷面，最低處河底高程74.00 m，河道內(nèi)水位相對(duì)高程約90 m。

穿汾河工程主要工作內(nèi)容包括:安裝DN1400 鋼管381 m（鋼管壁厚24 mm），左右岸各布置1 座排氣閥井，汾河局部堤防拆除與恢復(fù)，灘地段管溝開(kāi)挖和回填，主河槽段利用河道開(kāi)挖料回填，施工圍堰的填筑和拆除，穿汾河段DN1400 鋼管制安，管底基土工格柵鋪筑，鋼管頂部覆蓋回填（含塑料格柵石籠壓頂），河岸或河堤的恢復(fù)及項(xiàng)目防護(hù)、岸坡加筋土填筑施工等。

2 工程地形、水文、地質(zhì)情況

穿越汾河處河道段基本呈南北向，屬平原性河道，河道寬淺對(duì)稱，河床平坦，河槽蜿蜒前行。河床質(zhì)一般由細(xì)砂、輕沙壤土等組成，細(xì)而松散。地形縱向平緩。橫向河床與河漫灘高差較大，一般在1.0～4.5 m 之間。由于早期該河道任意采砂破壞形成局部沙坑，有的沙坑深達(dá)十幾米?，F(xiàn)狀河道經(jīng)過(guò)整治，河道較為順直，兩岸為人工河堤。河斷面為復(fù)式，局部地段有河心洲。主槽在兩岸堤防內(nèi)蛇形擺動(dòng)，寬60～100 m 左右，枯水期河槽較穩(wěn)定，河床裸露，汛期水流大時(shí)漫灘，全斷面過(guò)水。

該處汾河兩岸堤頂相對(duì)高程為102.47～102.51 m。該段發(fā)育地層巖性為全新統(tǒng)洪沖積物（Q4pal），巖性為級(jí)配不良礫夾級(jí)配不良砂透鏡體，礫石成分主要為灰?guī)r，磨圓度呈次棱角—次圓狀，結(jié)構(gòu)較松散。據(jù)SJ14C-52 篩分資料，其礫石含量為70.8%，砂粒含量28.2%，粉黏粒含量1.0%。級(jí)配不良砂，淡黃色，結(jié)構(gòu)松散，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英、云母等。據(jù)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，其標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)8.0～32.0 擊，經(jīng)桿長(zhǎng)修正值為7.7～24.0 擊。

管基持力層為級(jí)配不良礫及級(jí)配不良砂。

基坑開(kāi)挖存在涌水問(wèn)題。據(jù)鉆孔ZK14C-4、5 注水試驗(yàn)，級(jí)配不良礫層滲透系數(shù)為11.8 m/d，級(jí)配不良砂層滲透系數(shù)為2.3 m/d，取二者加權(quán)平均滲透系數(shù)為6.0 m/d。經(jīng)計(jì)算，基坑涌水量為64 890.4 m3/d。

初步設(shè)計(jì)中，導(dǎo)流建筑物級(jí)別為5 級(jí)，導(dǎo)流按非汛期5年一遇洪水設(shè)計(jì)，泄量為68.6 m3/s。工程安排在非汛期施工。

3 水中沉管法方案

水中沉管法是近些年南方通航江河中或沿海地區(qū)在海中鋪設(shè)管道時(shí)發(fā)展采用的一種施工方法。就本項(xiàng)目來(lái)講，總的來(lái)說(shuō)就是:在對(duì)管道基礎(chǔ)水下開(kāi)挖和填筑的同時(shí)，進(jìn)行管道的制作，并將拼裝焊接好的兩端封堵的管道順河流漂浮在水面上，待管基完成后，將管道浮運(yùn)至設(shè)計(jì)管軸線上方的水面上，然后注水使管道下沉，直至坐落在管基上，最后覆蓋回填。具體來(lái)講，分為管基開(kāi)挖及填筑、沉管段鋼管拼裝制作、管道浮運(yùn)及就位、管道注水下沉和水下回填覆蓋等。如圖1所示，詳細(xì)如下:

圖1 沉管法穿汾河橫斷面圖（單位除相對(duì)高程以m 計(jì)，其余為mm）

1）管基開(kāi)挖及填筑

河床東側(cè)灘地需溝槽開(kāi)挖，主河槽段需要進(jìn)行回填，以達(dá)到管基高程，形成管道基礎(chǔ)。

東側(cè)灘地溝槽開(kāi)挖利用一艘水上挖泥施工船，再配備二艘開(kāi)底式泥駁船進(jìn)行開(kāi)挖施工，采用水上挖泥施工船到汾河?xùn)|側(cè)灘地段進(jìn)行陸地和水下溝槽開(kāi)挖，然后利用二艘開(kāi)底式泥駁船運(yùn)輸至主河槽回填段進(jìn)行回填，回填時(shí)利用水上浮球標(biāo)定出回填區(qū)域，二艘開(kāi)底式泥駁船按照浮球標(biāo)定區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確回填。

2）沉管段鋼管拼裝制作

圖2 穿汾河管道示意圖

如圖2所示，沉管段管道制作為焊接河底直管299.231 m，東側(cè)斜管焊接27 m，西側(cè)斜管21.77 m，共計(jì)焊接管道348 m。管道上口間的直線距離為345.3 m。

本次沉管采用整體組對(duì)拼裝、整體浮運(yùn)、整體沉放，即一次性在陸地焊接完成沉管需要的鋼管，再浮運(yùn)至開(kāi)挖好的溝槽上方，最后一次性沉放。

在河床東側(cè)灘地建設(shè)鋼管堆存和焊接拼裝場(chǎng)地。采購(gòu)成品鋼管進(jìn)場(chǎng)，單節(jié)長(zhǎng)度12 m。采用130 t 履帶吊進(jìn)行鋼管節(jié)的組對(duì)，按一類焊縫焊接。每拼裝一節(jié)，順河流向河內(nèi)推送一節(jié)，端口加盲板封堵并預(yù)設(shè)小口徑閥門，最終348 m 沉管鋼管段全部順河漂浮在水面上。

3）管道浮運(yùn)及就位

管道基礎(chǔ)施工完成后，選擇汾河水文和氣象變化相對(duì)穩(wěn)定，水流速度相對(duì)較小的情況下，采用水面浮運(yùn)法，將沉管段管道浮運(yùn)到設(shè)計(jì)管軸線位置。

因東西兩岸坡腳水面間的距離僅為303 m，焊接好放倒浮運(yùn)的的沉管管道直線長(zhǎng)度為345.3 m。沉管管道就位時(shí)，采用東側(cè)管頭先進(jìn)入東側(cè)堤壩開(kāi)挖的溝槽內(nèi)，西側(cè)管頭在管軸線上游（即汾河北側(cè)）布設(shè)。當(dāng)東側(cè)管頭順利進(jìn)入東側(cè)堤壩開(kāi)挖的溝槽內(nèi)后，調(diào)整管道，將管道向東側(cè)伸進(jìn)12 m（東側(cè)因綠化帶和公路影響，僅能伸進(jìn)約12 m），西側(cè)管頭沿逆時(shí)針?lè)较蚓徛D(zhuǎn)浮運(yùn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至距管軸線100 m 時(shí)，通過(guò)東側(cè)的130 t履帶吊將管道豎向立直，管道西側(cè)管頭在岸側(cè)挖掘機(jī)的協(xié)助下，緩慢的將西側(cè)管頭沿逆時(shí)針?lè)较蚶^續(xù)緩慢旋轉(zhuǎn)浮運(yùn)，直至就位。管道浮運(yùn)就位示意圖見(jiàn)圖3。

4）管道注水下沉

圖3 管道浮運(yùn)就位示意圖

沉管管道浮運(yùn)就位，經(jīng)測(cè)量定位準(zhǔn)確無(wú)誤后，東西兩側(cè)分別采用東側(cè)130 t 履帶吊和挖掘機(jī)以及西側(cè)130 t 汽車吊和挖掘機(jī)配合固定住管線。從東側(cè)注水，西側(cè)排氣，管道下沉。管段內(nèi)進(jìn)水后要受控下沉，即在吊裝起重機(jī)協(xié)同控制下下沉。下沉過(guò)程中所有設(shè)備和操作人員務(wù)必服從統(tǒng)一指揮，東西兩側(cè)履帶吊和汽車吊吊鉤下降速度須與管道沉放動(dòng)態(tài)同步，合理安排注水速率，控制沉管動(dòng)態(tài)，使管道均勻下沉，讓管道管體應(yīng)力及變形控制在容許范圍內(nèi)，以免發(fā)生管道斷裂，沉管失敗。如圖4所示。

圖4 水中沉管現(xiàn)場(chǎng)施工圖

5）管道覆蓋回填

沉管管道下沉到位，經(jīng)潛水員水下檢查，與基礎(chǔ)結(jié)合良好且管體完好后，開(kāi)始覆蓋回填?；靥罘椒ê退迷O(shè)備同管基開(kāi)挖與填筑。

4 質(zhì)量檢測(cè)與試驗(yàn)

如何控制和保證水中沉管法施工的工程質(zhì)量，確保工程能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，這是我們?cè)谝M(jìn)該方法時(shí)反復(fù)探尋的問(wèn)題。例如，水下管道基礎(chǔ)的填筑質(zhì)量，管基面的平整度，管基與沉管的結(jié)合情況，以及如何控制管道下沉速度而保證管體不斷裂。尤其是水下工程，看不見(jiàn)，摸不著，如何檢測(cè)和保證質(zhì)量？

水下填筑和開(kāi)挖的體型尺寸以及高程的檢測(cè)采用超聲波檢測(cè)法。

塑料格柵鋪設(shè)情況、沉管與管基礎(chǔ)的結(jié)合情況等由潛水員水下檢查。

管道焊接拼裝完成后浮運(yùn)前要進(jìn)行管道氣密性試驗(yàn)，以檢測(cè)沉管段的密封性，確保浮運(yùn)過(guò)程中不會(huì)進(jìn)水。

沉管完成后，潛水員水下檢查，確定結(jié)合良好后，進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，以檢測(cè)管道在浮運(yùn)和下沉后的質(zhì)量情況。

覆土回填完成后，再進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，以最終檢測(cè)和判斷管道質(zhì)量情況。

該工程經(jīng)過(guò)三次檢測(cè)，其中兩次靜水壓，試驗(yàn)壓力達(dá)1.7 MPa，無(wú)壓力降。

5 結(jié)語(yǔ)

穿汾河工程很多，太原市境內(nèi)尤其多。隨著改革開(kāi)放后特別是近十余年太原市城市及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，供排水、熱力、燃?xì)庖约八刃袠I(yè)均有穿汾工程。在研究萬(wàn)家寨引黃陽(yáng)曲原水直供工程穿汾方案期間，做了調(diào)查了解，圍堰導(dǎo)流基坑開(kāi)挖法和頂管法均有實(shí)例，本工程這樣口徑的，投資基本不低于5 000 萬(wàn)元，定向鉆僅限于管徑1.2 m 以下的。本項(xiàng)目穿汾河工程初步設(shè)計(jì)概算為3 084 萬(wàn)元，按照初步設(shè)計(jì)的方法，再增加可行的圍堰擋水措施，投資也將突破5 000 萬(wàn)元。采用水中沉管法施工完成后，經(jīng)測(cè)算，費(fèi)用約2 000 萬(wàn)元。水中沉管法是在項(xiàng)目投資、工期以及安全等矛盾困擾下作的一次嘗試，一次實(shí)踐檢驗(yàn)的成功的嘗試。筆者作為該工程的組織者，以親身感受，寫此文予以推薦和推廣。